IntelliR：助力小鼠行为研究的创新分析平台

IntelliR 为 IntelliCage 数据提供标准化分析流程，可评估小鼠认知功能，推动神经精神疾病研究。

　　

研究背景

在神经精神疾病研究中，小鼠模型及其行为分析至关重要。随着复杂小鼠模型的不断涌现，对标准化、高通量行为表型分析的需求愈发迫切。传统的行为测试方法，如依赖实验人员的测试和评分，或半自动化的跟踪软件，虽在一定程度上实现了标准化，但仍受环境因素、小鼠单独测试、操作及饲养条件差异的影响，导致测试结果存在变异性，且可能给小鼠带来额外压力。

IntelliCage 系统的出现为解决这些问题带来了新的思路。它能在小鼠的社交环境中进行自动化表型分析，通过纵向监测和认知剖析，对个体小鼠在同伴环境下的行为进行研究，在不同实验室都展现出良好的可重复性。IntelliCage 可容纳多达 16 只小鼠，配备 4 个可编程角落作为操作室，通过皮下射频识别标签跟踪小鼠个体行为，还能根据多种条件控制小鼠对饮水瓶的访问，基于此开发出了众多评估不同行为领域的挑战任务。然而，IntelliCage 数据的分析和统计方法在不同研究中差异较大，常依赖手动从软件图形用户界面提取数据，不仅耗时，还容易出错。

IntelliR 的诞生

为了提高数据处理的可重复性，克服大型异质性数据集分析的难题，研究团队开发了免费开源的 IntelliR 数据分析平台。该平台旨在为更高层次的认知挑战提供标准化、自动化的数据提取、汇总、绘图和统计分析，涵盖空间学习、（多重）逆向学习、消退、情景样记忆、工作记忆以及执行功能等领域。IntelliR 操作简便，即使对 R 编程知识了解有限的研究人员，也能轻松修改其代码，以适应不同的实验设置和模块分析需求。同时，它还引入了默认 IntelliCage Analyzer 软件中未有的条件参数，有助于更全面地评估小鼠的认知、探索和重复性行为。

IntelliR 的功能与优势

1. 标准化分析流程：IntelliR 开发了一套标准化的分析流程，能快速处理 IntelliCage 产生的复杂数据。研究人员只需提供原始数据、实验相关信息，如组数、组名和去盲文件，IntelliR 就能提取诸如小鼠的访问次数、舔舐次数、鼻戳次数等 “经典” 读数，还能计算饮水尝试次数、位置错误、时间错误、挑战错误和方向错误等指标。这些数据会在黑暗期、光照期、24 小时及特定 “活动” 期四个时间段进行评估，随后计算相关统计参数，并生成 csv 或 Excel 文件以及柱状图，方便研究人员快速查看数据。经 Pearson 相关性分析验证，IntelliR 计算的位置错误与手动分析数据的相关性系数达 1.0，证明其数据处理的准确性。
2. 认知挑战评估：IntelliR 设计了三个综合性认知挑战任务，用于评估小鼠的空间学习记忆、情景样记忆和工作记忆，并包含逆向任务以测试认知灵活性。在空间学习记忆挑战中，小鼠需学习在特定时间和角落获取饮水，经历位置学习、逆向学习和多重逆向学习阶段；情景样记忆挑战基于 Dere 等人的测试方法改进，小鼠要记住获取饮水的地点、时间等情境因素；工作记忆挑战则通过让小鼠在顺时针和逆时针方向的巡逻任务中不断切换正确角落来测试。研究发现，健康小鼠能够成功学习这些挑战任务，其学习曲线显示性能显著高于随机水平。
3. 评估海马体功能：为验证 IntelliR 对海马体功能障碍的检测能力，研究团队使用了转基因白喉毒素 A（DTA）小鼠。该小鼠在给予他莫昔芬后，海马体锥体细胞会急性死亡。实验结果显示，与健康对照组相比，DTA 小鼠在部分任务中学习能力受损，如在顺时针巡逻任务的第一天表现较差，学习速度明显慢于对照组。通过对不同类型错误的分析，如位置错误、挑战错误、时间错误和方向错误，研究人员发现 DTA 小鼠在某些任务中的错误率显著增加。综合这些错误类型得出的认知指数表明，DTA 小鼠在巡逻任务中的认知表现更差，这意味着海马体锥体细胞消融后，小鼠的工作记忆受到了损害。
4. 监测基本行为：除了认知表型分析，IntelliR 还能监测小鼠的基本行为。通过分析小鼠在 IntelliCage 角落的访问次数，研究发现大部分（85.15%）访问发生在黑暗期，这表明角落访问次数可作为衡量小鼠一般活动的良好指标。同时，随着实验天数增加，小鼠的探索性访问次数显著减少，说明探索性访问可用于评估小鼠的探索行为。虽然在本研究中，未观察到他莫昔芬处理和玉米油处理的 DTA 小鼠在一般活动、探索行为和重复事件数量上的差异，但这些参数对于其他具有明显运动或刻板行为表型的小鼠模型，如亨廷顿病、帕金森病、多发性硬化症或自闭症谱系障碍模型，可能具有重要的评估价值。

研究讨论

IntelliR 为 IntelliCage 数据集的分析提供了全面的解决方案。它不仅标准化了分析过程，让研究人员能更专注于结果解读，还简化了小鼠基本活动评估，为研究小鼠的健康状况提供了重要支持。其设计的认知挑战任务基于现有的 IntelliCage 测试设计，涵盖了关键的认知领域，并通过逆向任务评估认知灵活性。通过对健康小鼠和 DTA 小鼠的测试，验证了这些挑战任务的有效性和 IntelliR 检测认知功能障碍的能力。

在衡量小鼠任务成功的指标方面，IntelliR 提供了多种错误类型的评估。与以往研究不同，IntelliR 基于饮水尝试次数计算位置错误率，减少了探索性角落访问的影响；时间错误用于评估小鼠对时间关联的学习能力；挑战错误和方向错误则反映小鼠在行为消退和认知灵活性方面的表现。通过引入认知指数，研究人员可以综合评估小鼠在不同挑战任务中的整体认知表现，发现健康小鼠在连续测试中认知性能不断提升，且在巡逻任务中表现优于 DTA 小鼠。

此外，IntelliR 还对小鼠的其他行为进行了有效监测。以角落访问次数作为一般活动的代理指标，经研究证实与小鼠的昼夜节律相符；将未进行鼻戳尝试获取饮水的角落访问定义为探索性访问，其随着时间减少的趋势表明可用于评估探索行为；通过计算重复鼻戳次数和重复事件数量来评估重复性行为，但该指标的阈值可能需要进一步优化。

研究局限性

本研究存在一定的局限性。从实验对象来看，研究仅使用了多组健康雌性小鼠和一种特定模型，未涉及雄性小鼠、不同表型小鼠及老年小鼠，因此研究结果的普适性有待进一步验证。例如，患有实验性自身免疫性脑脊髓炎的小鼠可能因后肢麻痹等严重运动限制，无法正常进入操作角落；部分小鼠可能因缺乏动机、认知障碍或焦虑等原因，无法在正确角落饮水，这种情况下需考虑调整奖励方式或提供额外饮水途径。

从理论层面考虑，认知指数的计算基于所有挑战都能被学习以及先前学习任务的消退需要试错的假设，虽然健康雌性小鼠的实验结果支持这一假设，但在其他情况下可能并不完全适用。

在技术方面，当前 IntelliR 要求所有挑战按既定方式执行，可能无法满足所有实验设置和问题的需求。不过，研究团队提供了挑战设计文件，且 IntelliR 基于 GPL - 3.0 许可证开源，研究人员可根据需要修改代码。同时，研究人员还可考虑其他与 IntelliCage 数据兼容的工具，如 Python 编写的开源工具 PyMICE 和 IntelliPy，以及专有解决方案 FlowR 包，根据自身需求选择合适的工具。

研究展望

尽管存在局限性，IntelliR 仍为小鼠行为研究提供了标准化的分析方法，提升了 IntelliCage 的实用性，有望推动该领域研究的可重复性。未来，随着研究的深入，IntelliR 可能会进一步优化，以适应更多样化的实验需求。例如，针对不同性别、年龄和表型的小鼠，开发更具针对性的分析模块；改进认知指数的计算方法，使其能更准确地反映小鼠的认知状态；加强与其他先进技术的结合，拓展 IntelliR 在小鼠行为研究中的应用范围。此外，随着更多研究人员对 IntelliR 的使用和反馈，其代码和功能也可能会不断完善和更新，为神经精神疾病研究等生命科学和健康医学领域提供更有力的支持。